次世代儲能與電力來源~固態電池

淨零碳排趨勢下,推廣再生能源與電動車已是各國重要的綠能政策,但此兩大應用均仰賴更高規格的儲能/電池系統。

以電池技術來說,一般須達到下列6個要項才能具備市場發展優勢:(1)能量密度高:具備更小的體積、更輕的重量並可儲存更多的電能。(2)壽命長:充放電次數多,同時也減少廢棄物的產生。(3)充放電速度快:透過較快速的放電及不需要太長時間的充電,即可再次長距離行駛。(4)耐熱耐寒:能適應極端氣候與環境,以確保穩定的電能供應。(5)安全性高:耐高溫、不易爆炸起火,高溫循環壽命長。(6)達到可商業化的成本:投入研發、大量生產後,將可降低至消費者可接受的成本。

傳統(液態)鋰電池長期稱霸市場

目前較能符合以上所有條件的電池,大概就只有發展已超過30年的鋰電池了,因此其廣泛應用在智慧行動裝置、電動運輸載具、再生能源儲能系統等領域,尤其是磷酸鐵鋰(LFP)和鋰三元(NCM、NCA)電池幾乎攻佔所有的儲能電池及動力電池市場,也是現階段全球各大汽車集團的主流電池配方。

傳統(液態)鋰電池主要構造包括正負極、液態電解液、隔離膜及結構殼體;其中電解液能快速傳導鋰離子,使得鋰電池能夠提供大電流應用。然而傳統電解液易洩漏、易燃燒與易高電壓氧化性質,阻礙能量密度的推升,同時也存在40℃以上的高溫便有安全及壽命銳減的疑慮。相較而言,鋰三元電池能量密度高、能支援快充,但壽命短、安全性不高;磷酸鐵鋰電池壽命長、安全性高、成本低廉,但能量密度低。

為改善能量密度、電池壽命、充放電速度、安全性、成本更低等問題,電池的技術必須有所突破,而利用固態電解質取代有機電解液成為市場主流努力方向。

固態電池將成明日之星

固態電池改用固態電解質,取代傳統鋰電池的電解液,因此可以避免漏液的問題,且因固態電解質具有較強的阻隔正負極效果,較不易生成鋰枝晶而造成短路,安全性自然較高。在能量密度的部分,由於固態電池的安全性,因此正負極可以選用能量密度更高的材料,例如負極採用鋰金屬或是正極採用NCMA混合物等,使其能量密度可超過鋰三元電池;目前主流的液態鋰離子電池技術,其能量密度已逼近300Wh/kg的物理極限,而固態電池的能量密度則可高達500Wh/kg。

整體而言,固態電池的充放電效率和能量密度比傳統鋰電池多2倍以上,續航力也會延長2倍以上,預期使用固態電池的電動車可將續航力拉高至800~1,000公里以上,且安全性較高,因此固態電池近年被視為繼液態鋰電池之後的新一代電池技術,吸引業界全力投入研發。日本豐田(Toyota)車廠計畫在2025年推出搭載固態電池的汽車,比爾蓋茲(Bill Gates)投資的新創 QuantumScape也計畫在2024年量產。然而,目前固態電池的技術仍不成熟,平均製造成本仍高於液態鋰電池數倍,短期內尚無法普及。

臺灣努力保持前段班優勢

具有多方面優勢的固態電池引發各國研究單位與廠商競相投入與積極搶進,預計未來幾年內可將固態電池推向商業市場,尤其在電動車這樣的大眾消費市場,其商業潛力將更快實現。試想,如果一台電動車需要1,000個電池,當每個電池可以增加20%以上的能量時,就可以從1,000個電池減少到800個,不僅讓車輛變得更輕,製造成本也會更低。

臺灣在這項技術上也沒有缺席,從類固態的樹脂電池開始,邁向全固態電池並保持技術達到前段班的優勢。據了解,工研院研發的網狀聚醯胺環氧樹脂(NAEPE)介於膠態與固態之間,透過添加聚醯胺環氧樹脂添加劑(AEO)及起始劑,可將液態鋰電池現有電解液改質,不需加熱或使用UV光,在常溫下就可固化,既保有原本電解液高離子導電度,同時改善高電壓穩定性。固化後的電解液,閃燃點溫度提高,具有難燃性、高溫循環壽命佳等特點。採用NAEPE的固態鋰電池,內部可像積木一樣進行串聯(cell to module),突破鋰電池單一結構限制,達到一個電池有12V的高伏特電壓,對後段電池模組可省下串並聯組件,易於電池模組設計。此技術克服目前全樹脂電解質需高溫固化,及較差離子導電度與電化學穩定性問題,加速固態電池的材料技術發展,同時落實技術產業化,帶動臺灣未來電動車輛與儲能系統產業的發展,也為全球提供高能量密度兼具安全性之固態鋰電池,推動綠色永續發展。

Related Articles

「智駕電動車聯網」電子報,免費訂閱!

提供國內外熱門智駕電動車聯網新聞、產業脈動、新品介紹等訊息彙整。

 >>立即前往 

編輯精選

- Advertisement -

供應商產品

最新文章